Κοχλίας του Αρχιμήδη: «Ζωντανεύει» σε ατομικό επίπεδο σε έναν επιστημονικό άθλο

Η πορεία της τεχνολογίας κρύβει συχνά θεαματικές εκπλήξεις και μας θυμίζει πως οι σπουδαίες ιδέες δεν περιορίζονται από τον χρόνο.

Μια από τις παλαιότερες μηχανικές επινοήσεις, ο γνωστός κοχλίας του Αρχιμήδη, που δημιουργήθηκε στην αρχαία Ελλάδα για την άντληση νερού, έφτασε τώρα στη νανοκλίμακα. Η «σμίκρυνσή» του οδήγησε σε έναν πρωτοποριακό μοριακό κινητήρα, ο οποίος φιλοδοξεί να επηρεάσει καθοριστικά την τεχνολογία του μέλλοντος.

Ως τώρα, οι ερευνητές είχαν καταφέρει να φτιάξουν απλά μόρια που αποκρίνονταν σε φως ή χημικά ερεθίσματα. Μια συμπαγής μηχανική κατασκευή, όμως, συνδεδεμένη απευθείας με ηλεκτρόδια, η οποία λειτουργεί με ηλεκτρικό ρεύμα και περιστρέφεται υπό έλεγχο, έμοιαζε μέχρι πρόσφατα με επιστημονική φαντασία. Σε διεθνή συνεργασία, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Michael Pittelkow, από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, σχεδίασε ένα ειδικό μόριο σε σχήμα σπείρας, με μέγεθος μόλις λίγα εκατομμυριοστά του χιλιοστού.

Το μόριο τοποθετήθηκε κατόπιν ανάμεσα σε δύο χρυσές ακίδες ατομικού μεγέθους από επιστήμονες του Ινστιτούτου Weizmann στο Ισραήλ. Με την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης, τα ηλεκτρόνια που περνούν μέσα από τη σπείρα λειτουργούν σαν τον άνεμο στα πτερύγια ανεμογεννήτριας και θέτουν το μόριο σε περιστροφή. Επιπλέον, η φορά της κίνησης μπορεί να μεταβληθεί από δεξιόστροφη σε αριστερόστροφη ή το αντίστροφο, με απλή αντιστροφή της πολικότητας του ρεύματος. Έτσι δημιουργήθηκε το πρώτο ηλεκτρικό μοτέρ σε ατομικό επίπεδο με πλήρη έλεγχο.

Στον κόσμο που αντιλαμβανόμαστε, η λειτουργία μιας μηχανής προϋποθέτει κατανάλωση ενέργειας. Στην περίπτωση του μοριακού κινητήρα, ωστόσο, παρατηρήθηκε το αντίστροφο. Οι κβαντικές προσομοιώσεις της ομάδας θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ, με επικεφαλής τον καθηγητή Fabian Pauly, έγιναν στον υπερυπολογιστή LiCCA και έφεραν στο φως ένα απρόσμενο εύρημα: μόλις άρχισε να περιστρέφεται ο μοριακός κοχλίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του συστήματος αυξήθηκε 100 φορές.

Το φαινόμενο εξηγείται από μια ξεχωριστή ιδιότητα του μορίου. Όσο μένει ακίνητο, αποφεύγει από μόνο του ορισμένες εσωτερικές διαμορφώσεις που επιτρέπουν στο ρεύμα να περνά ευκολότερα. Με την περιστροφή, αντίθετα, ανοίγουν αυτές οι κρυφές διαδρομές υψηλής αγωγιμότητας. Έτσι, η κίνηση δεν αποτελεί απλώς συνέπεια του ηλεκτρισμού, αλλά γίνεται το «κλειδί» που επιτρέπει στο ρεύμα να διασχίζει τη μηχανή έως και 100 φορές πιο εύκολα.

Το επίτευγμα ενδέχεται να έχει μεγάλη σημασία για την τεχνολογία του μέλλοντος, αφού μπορεί να οδηγήσει σε νανοηλεκτρονικούς υπολογιστές και κυκλώματα χωρίς τις συμβατικές πλακέτες πυριτίου. Στη θέση τους, μεμονωμένα μόρια θα μπορούσαν να λειτουργούν ως αυτόνομοι διακόπτες και ενισχυτές ρεύματος. Η εφαρμογή της τεχνολογίας στη σπιντρονική και τη μικρορευστονική μπορεί επίσης να επιτρέψει την κατασκευή πολύ μικρότερων αισθητήρων και ιατρικών συσκευών, ικανών να χειρίζονται ελάχιστες ποσότητες ρευστών ή δεδομένων καταναλώνοντας ελάχιστη ενέργεια.

Στα πιο ακραία όρια της σμίκρυνσης, η μηχανική της αρχαίας Ελλάδας συναντά την κβαντική πραγματικότητα. Ο μοριακός κοχλίας του Αρχιμήδη έδειξε πως, χάρη στη σύγχρονη επιστήμη, ηλεκτρισμός και κίνηση μπορούν να λειτουργήσουν μαζί σε ατομική κλίμακα, διευρύνοντας όσα θεωρούμε τεχνολογικά εφικτά.